高精度內(nèi)圓磨床主要用于汽車液壓挺桿類零件的中小孔內(nèi)圓磨削加工，工件孔磨削直徑10~20 mm，長(zhǎng)度0~40 mm，圓度1μm，圓柱度1.5μm，加工孔尺寸精度10μm，表面粗糙度0.16μm。磨削工序分粗磨和精磨，精磨時(shí)為了消除進(jìn)給間隙、磨削力及熱變形的影響，徑向進(jìn)給采用微量磨削進(jìn)給和退刀相結(jié)合的進(jìn)給路線：如進(jìn)給0.02 mm，退刀0．02 mm，再進(jìn)給O．04mm，退刀o．02 mm，然后再進(jìn)給采用精光磨的方法。位置控制精度要達(dá)到0．003 mm，因此，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要保證進(jìn)刀量和進(jìn)給速度可調(diào)。而對(duì)于軸向進(jìn)給要保證軸向往復(fù)行程0.2~20 mm，速率每分鐘60~120次，無(wú)級(jí)可調(diào)。

1 對(duì)控制系統(tǒng)的要求

　　精密內(nèi)圓磨床要求數(shù)控系統(tǒng)的工作方式：手動(dòng)調(diào)整、磨削自動(dòng)循環(huán)、單次砂輪修整、多次砂輪修整和新砂輪修整。本文主要針對(duì)磨削自動(dòng)循環(huán)方式分析。

　　磨削自動(dòng)循環(huán)的循環(huán)條件：磨頭變頻器啟動(dòng)、大滑板后位、主軸靜壓壓力到、靜壓壓差在范圍內(nèi)、無(wú)車頭電動(dòng)機(jī)報(bào)警、卡盤鎖緊、小滑板前位。

　　動(dòng)作要求：循環(huán)開始→縱滑板前進(jìn)、工件冷卻啟動(dòng)→大滑板前位→往復(fù)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、冷卻電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、伺服驅(qū)動(dòng)進(jìn)給開始→按預(yù)定工藝路線運(yùn)動(dòng)→進(jìn)給結(jié)束_進(jìn)給系統(tǒng)復(fù)位→縱滑板后退→到達(dá)后位→工件冷卻停止、往復(fù)電動(dòng)機(jī)在往復(fù)到達(dá)后位時(shí)斷電，往復(fù)剎車得電→修整器推出→停止往復(fù)剎車、停止循環(huán)指示→循環(huán)結(jié)束。在裝卸完工件后開始下一個(gè)循環(huán)。

　　停止控制：循環(huán)過(guò)程中按“循環(huán)中斷”按鈕、磨頭停止按鈕或出現(xiàn)車頭電動(dòng)機(jī)熱保護(hù)，進(jìn)給系統(tǒng)快速?gòu)?fù)位，則所有動(dòng)作解除，各輸出斷電，屏幕保持不變，“循環(huán)中斷”閃爍提示，可查故障原因。如按返回按鈕，則返回主菜單。循環(huán)進(jìn)行中按“返回主菜單”按鈕無(wú)效。

2 控制方案選擇和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　實(shí)現(xiàn)高精度內(nèi)圓磨床的進(jìn)給控制，有兩種高可靠性的數(shù)控方案：一是采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)伺服軸實(shí)現(xiàn)進(jìn)給準(zhǔn)確定位，該技術(shù)途徑只需要編寫PNIC軟件完成邏輯控制。該方案的優(yōu)點(diǎn)是CNC核心軟件及操作界面已由數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)商完成，但控制部分成本較高；二是以PLC產(chǎn)品為控制核心，擴(kuò)展伺服定位單元驅(qū)動(dòng)伺服軸，利用人機(jī)界面通過(guò)自行研發(fā)控制軟件實(shí)現(xiàn)磨床的數(shù)控功能，控制系統(tǒng)成本約降低1萬(wàn)元。兩種方案均有高的抗干擾能力、低的故障率和同樣的精度。針對(duì)本次磨床控制要求，選擇了“PLC+I／O單元+觸摸屏+伺服單元+伺服系統(tǒng)”的控制方案。

圖1 內(nèi)圓磨床控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　圖1為內(nèi)圓磨床的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。PLC采用三菱FX2N-32MR，并適當(dāng)擴(kuò)展I／O接口。伺服單元使用FX2N-10GM定位模塊，配合高精度、高定位分辨率的三菱MR—J2S一60A伺服驅(qū)動(dòng)器和HC—SFS—52中慣量伺服電動(dòng)機(jī)，完成徑向進(jìn)給定位控制。操作監(jiān)視界面使用三菱970GOT工業(yè)級(jí)人機(jī)界面。磨削主軸由中頻變頻器驅(qū)動(dòng)，變頻器與PLC之間的連接信號(hào)類型為開關(guān)量。在控制系統(tǒng)硬件構(gòu)建的基礎(chǔ)上，通過(guò)內(nèi)部操作變量的合理規(guī)劃、觸摸式工作界面的人性化設(shè)計(jì)以及PLC控制軟件的合理開發(fā)，可以完成高精度內(nèi)圓磨床的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3 外部和內(nèi)部變量規(guī)劃

　　連接到PLC的外部變量有：X0，大滑板前移；X1，24 V電壓監(jiān)視；X2，推出到位等18個(gè)輸入信號(hào)；均，縱滑板前進(jìn)、后退電磁閥；Y1，松開卡盤電磁閥等18個(gè)輸出信號(hào)。連接到定位單元的外部輸入信號(hào)有：歸零開關(guān)、正向硬超程極限開關(guān)和負(fù)向硬超程極限開關(guān)。

　　由于人機(jī)界面、PLC主機(jī)、伺服單元中各部分的內(nèi)部變量在運(yùn)行中是有機(jī)聯(lián)系、互相取用的，因此只有合理規(guī)劃內(nèi)部變量，才能使得控制系統(tǒng)的各部分在運(yùn)行中均能正確識(shí)別變量，實(shí)現(xiàn)程序的協(xié)調(diào)運(yùn)行。對(duì)內(nèi)部主要變量所作的規(guī)劃和分類如下：

　　(1)D變量：從D201～D459共使用了259個(gè)16位的內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器。例如：

　　D204、D205 x軸當(dāng)前位置值　　D203、D204 機(jī)械零點(diǎn)位置數(shù)值　　D201、D202 歸零速度　　D210、D211 X軸當(dāng)前目標(biāo)位置　　D212、D213 當(dāng)前進(jìn)給速度　　D214、D215 當(dāng)前補(bǔ)償量　　D220、D221 磨削循環(huán)第1段進(jìn)給位置值　　D222、D223 磨削循環(huán)第2段進(jìn)給位置值　　D240、D241 磨削循環(huán)第1段進(jìn)給速度值　　D242、D243 磨削循環(huán)第2段進(jìn)給速度值　　D260、D261 磨削循環(huán)第1段位置補(bǔ)償量　　D262、D263 磨削循環(huán)第2段位置補(bǔ)償量

　　(2)定時(shí)器：從TD—T28共使用29個(gè)，如：T6初始化寫參數(shù)定時(shí)器；T1磨削自動(dòng)循環(huán)結(jié)束定時(shí)器；T10磨削進(jìn)給定時(shí)器；T1 l磨削回原位定時(shí)器等。

　　(3)計(jì)數(shù)器變量：從C101一C108共使用8個(gè)。例如：C106為磨削次數(shù)計(jì)數(shù)。

　　(4)位變量M：從M0～M501共使用了400多個(gè)。例如：M71-M77分別為磨削自動(dòng)循環(huán)第一段至第七段的狀態(tài)變量，M70為磨削循環(huán)條件，等等。

4 磨削自動(dòng)循環(huán)控制界面

　　在磨削循環(huán)進(jìn)行過(guò)程中，從觸摸屏可以監(jiān)控循環(huán)條件、循環(huán)進(jìn)程、動(dòng)作狀態(tài)、x軸當(dāng)前位置、進(jìn)給量與進(jìn)給速度。當(dāng)不滿足循環(huán)條件啟動(dòng)時(shí)，左上方會(huì)提示“循環(huán)條件不滿足”；而在循環(huán)進(jìn)行中，畫面上會(huì)出現(xiàn)“循環(huán)中斷”按鈕以便于操作人員隨時(shí)中斷該循環(huán)。

　　為了操作人員更方便地預(yù)置磨削加工參數(shù)，設(shè)計(jì)數(shù)控磨床的參數(shù)設(shè)置菜單，在此菜單上可以預(yù)置各加工階段的進(jìn)給量、進(jìn)給速度和進(jìn)給補(bǔ)償量，還可以預(yù)置加工次數(shù)或定時(shí)時(shí)間。

5 磨削自動(dòng)循環(huán)的程序結(jié)構(gòu)

　　作為磨床完整自動(dòng)程序中的一個(gè)子程序，磨削自動(dòng)循環(huán)按工藝要求被分為7個(gè)執(zhí)行階段：縱滑板前進(jìn)段M71、多次進(jìn)給磨削段M72、進(jìn)給系統(tǒng)回原位段M73、回原位定時(shí)段M74、縱滑板后退段M75、往復(fù)運(yùn)動(dòng)剎車段M76和結(jié)束段M77。子程序結(jié)構(gòu)采用分步互鎖的邏輯結(jié)構(gòu)，圖4為略去主控、復(fù)位條件和各階段輸出控制后的程序結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4磨削自動(dòng)循環(huán)子程序結(jié)構(gòu)示意圖

　　當(dāng)半自動(dòng)條件M70滿足時(shí)，如果按下循環(huán)起動(dòng)按鈕，則進(jìn)入磨削自動(dòng)循環(huán)的第1階段M71，用第2階段及以后各段可解除第1段程序。在縱滑板前進(jìn)段M71，如果縱滑板前進(jìn)到位，則進(jìn)入第2階段M72，用第3階段及以后各段可解除第2段程序。第2段為磨削加工的主要階段，操作人員可利用計(jì)數(shù)器C106預(yù)置進(jìn)給次數(shù)(≤10次)，當(dāng)C106實(shí)際計(jì)夠加工次數(shù)，且最后一次徑向進(jìn)給到位時(shí)，進(jìn)入磨削循環(huán)第3段M73；到達(dá)原位后，執(zhí)行磨削第4階段的回原位定時(shí)，定時(shí)到后進(jìn)入第5段“砂輪往復(fù)剎車”，當(dāng)剎車到位，執(zhí)行磨削第6段“縱滑板后退”；當(dāng)后退到位時(shí)磨削自動(dòng)循環(huán)執(zhí)行結(jié)束，用T1定時(shí)器提供0.1 s左右時(shí)間的結(jié)束時(shí)間，以處理PLC、觸摸屏、伺服單元的狀態(tài)復(fù)位信息。

6 伺服單元的內(nèi)部變量及進(jìn)給程序結(jié)構(gòu)

　　伺服定位單元FX2N一10GM被連接到PLC之后，其定位數(shù)據(jù)、定位命令和當(dāng)前執(zhí)行狀態(tài)均可以通過(guò)與PLC的通信，利用PLC的FROM、TO指令進(jìn)行置數(shù)或讀取，并借助于觸摸屏監(jiān)控。

　　6.1 伺服單元的內(nèi)部變量

　　(1)用于伺服單元設(shè)置參數(shù)的特殊數(shù)據(jù)寄存器。如D9202(低16位)、D9203(高16位)為伺服單元參數(shù)1，需要寫入電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)；D9204、D9205為伺服單元參數(shù)2，應(yīng)寫入伺服電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)的位移；D9226、D9227為伺服單元參數(shù)13，應(yīng)寫入歸零速度；D9232、D9233為伺服單元參數(shù)16，應(yīng)寫入機(jī)械零點(diǎn)的位置等等。用于伺服單元定位程序的特殊數(shù)據(jù)寄存器：如本伺服單元的進(jìn)給程序以D1200為入口地址(表格號(hào)20)，則第l句數(shù)控程序G90應(yīng)被寫入D1200；第2句為位置補(bǔ)償程序G73，需要在D1210中寫入73，同時(shí)將PLC中的位置補(bǔ)償量D214寫入D1212；第3句為直線插補(bǔ)程序G00，需要在D1220中寫入00，同時(shí)將PLC中的進(jìn)給目標(biāo)位置D210寫入D1222，將進(jìn)給速度D212寫入D1224等等。在PLC初始化程序中，這些參數(shù)根據(jù)工藝要求被寫人伺服單元，程序格式如圖3所示。

圖3伺服單元的參數(shù)設(shè)置程序

　　(2)用于伺服單元運(yùn)動(dòng)執(zhí)行狀態(tài)的特殊數(shù)據(jù)寄存器。如D9004、D9005為伺服單元當(dāng)前位置數(shù)值，可通過(guò)PLC程序讀入PLC的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器D204、D205，并在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。程序格式“DFROM K0K9004 D204 K2”。

　　(3)用于接受外部寫操作的特殊輔助繼電器。如M9001是定位開始命令寫入位；M9002是定位停止命令寫入位；M9004為機(jī)械回零命令寫入位；M9007是復(fù)位命令寫入位等。從M9000一M9015在伺服單元內(nèi)部被分配為#20緩沖存儲(chǔ)器，PLC程序中通過(guò)指令“TOK0 K20 K2M400 K1”將定位命令從PLC傳人定位單元。PLC的變量M401、M402分別為定位起動(dòng)和定位停止位。

　　(4)伺服單元中可供讀取的特殊輔助繼電器。如M9048是定位單元就緒標(biāo)志；M9049是定位結(jié)束標(biāo)志；M9057是歸零結(jié)束標(biāo)志等。從M9048～M9063在伺服單元內(nèi)部被分配為#23緩沖存儲(chǔ)器，程序中通過(guò)指令“FROM KO K23 K4 M420 K1”將定位執(zhí)行狀態(tài)從定位單元傳遞給PLC。該指令決定了PLC的變量M421可以收到定位結(jié)束信號(hào)。

　　6.2 徑向進(jìn)給控制程序結(jié)構(gòu)

　　需要自動(dòng)磨削加工時(shí)，用戶可以在觸摸屏上預(yù)置所需要的磨削次數(shù)n以及各段的進(jìn)給位置、進(jìn)給速度、進(jìn)給補(bǔ)償量等，然后按下循環(huán)起動(dòng)按鈕，開始從M71～M76的磨削自動(dòng)循環(huán)。M72多次進(jìn)給磨削是自動(dòng)循環(huán)中最復(fù)雜的執(zhí)行階段，需要PLC與伺服驅(qū)動(dòng)單元的緊密配合，該段控制程序結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4多次進(jìn)給厝削控制程序結(jié)構(gòu)

　　　自動(dòng)循環(huán)的初試值C106=0，比較語(yǔ)句會(huì)置M62為1，這時(shí)觸摸屏上的第1次進(jìn)給位置、速度和補(bǔ)償量(PLC的D220、D240、D260)會(huì)被作為當(dāng)前執(zhí)行目標(biāo)、速度和補(bǔ)償量送入PLC的D210～D215數(shù)據(jù)區(qū)。在磨削進(jìn)給一次后，C106=l(加1計(jì)數(shù)程序略)，比較語(yǔ)句會(huì)置M65為1，這時(shí)觸摸屏上的第2次進(jìn)給位置、速度和補(bǔ)償量會(huì)被送人PLC的D210一D215數(shù)據(jù)區(qū)，作為新的當(dāng)前目標(biāo)、速度、補(bǔ)償量。每次進(jìn)給的磨削準(zhǔn)備時(shí)間T10約0.1 s，定時(shí)到置位M401立即起動(dòng)進(jìn)給動(dòng)作，當(dāng)進(jìn)給結(jié)束時(shí)伺服單元會(huì)發(fā)出定位結(jié)束信號(hào)。

7 結(jié)語(yǔ)

　　以PLC控制為核心的，利用伺服定位模塊和高編碼分辨率(131 072脈沖／r)的伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的高精度磨床電氣控制。顯示方式采用觸摸式操作界面，通過(guò)自主定義PLC一伺服定位系統(tǒng)一觸摸屏的內(nèi)部變量，合理規(guī)劃和調(diào)用數(shù)據(jù)，完成了精密磨床控制軟件開發(fā)與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。經(jīng)過(guò)多家機(jī)床用戶檢驗(yàn)，達(dá)到預(yù)期加工精度。